CN106730039B - 一种医用骨组织修复用3d打印材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于3D打印材料领域，公开了一种医用骨组织修复用3D打印材料，其包括粉末材料和与之匹配的粘结溶液，按照重量份数，所述粉末材料包括磷酸四钙55~75份、磷酸氢钙65~95份、无定形硅酸盐5~20份、氟化物5~10份、分散剂5~25份，所述粘结溶液包括去离子水90~100份、六偏磷酸钠5~8份、卵磷脂4~6份、表面活性剂10~20份、促凝剂5~10份、粘结剂5~25份、润湿剂10~15份。本发明还公开了该3D打印材料的制备方法。本发明打印出来的医用骨组织不仅具有较强的机械强度，抗压性能，同时具有良好的生物相容性，生物降解性以及骨传导、骨再生能力。

Description

一种医用骨组织修复用3D打印材料及其制备方法

技术领域

本发明属于3D打印材料领域，具体涉及一种医用骨组织修复用3D打印材料及其制备方法。

背景技术

生物功能材料又称生物材料，是用以和生物系统接合，用以诊断、治疗或者替换机体中组织、器官或增进其功能的材料。与生物系统直接接合是生物医学材料最基本的特征，所以植入材料除了需要满足一定的理化性能指标外，生物医学材料还必须满足生物性能要求，即生物相容性要求，这是它区别于其他功能材料最重要的特征。

随着人口的老龄化，以及工业、交通、体育等导致的创伤增加，患者对生物材料制品的需求越来越大。同时，随着材料科学、生命科学和组织工程技术的发展，人们逐步认识了材料和机体间的相互作用，通过构建生物结构和功能，使传统的无生命的材料通过参与生命组织的活动而成为生命组织的一部分。生物功能材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有十分重要的意义。

羟磷灰石(HAP)是人体骨组织的主要无机成分，具有良好的细胞相容性、骨传导性、高度的生物活性，当人体硬组织需要修复或替换时，羟基磷灰石多孔陶瓷便成为首选材料。但是，它本身硬度低，脆性大，韧性差，骨诱导活性不足，因此应用程度受限。为了弥补羟基磷灰石材料本身的不足，复合材料应运而生，通过加入无机物质、大分子有机物等形成复合材料，可弥补羟基磷灰石本身脆性大，硬度低，韧性差以及骨诱导活性不足，提高材料的力学性能及生物学性能。现阶段临床使用的骨水泥材料主要有聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥及磷酸钙骨水泥两大类。两者均具有十分突出的特点，但是同时也存在一定的缺陷，如聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥最显著的特点为机械强度大，但因其聚合反应时大量放热且反应过程中释放残留单体等，常引起一系列的并发症。

因此在临床应用上受到一定的限制；磷酸钙骨水泥的显著优点是其化学组成与人体骨无机成分相近而具有较好的生物相容性，然而，目前进入临床应用的磷酸钙骨水泥仍存在固化后机械强度较低、抗水溶性差、溶解吸收过快、不能持久保持形态等缺点。

有资料显示，中国器官移植的患者和供体的数量比是150：1，每年的生物器官、组织几乎都是供不应求的。为了适应社会经济的发展，满足多数人的需求，需要在保证组织材料质量的前提下，提高生产效率。而对于这点，可以利用目前较为先进的3D打印设备来完成。 3D打印技术是一体化成型增材制造技术，改变了传统的减材制作技术，在较大程度上节约材料的同时，也可以大幅度提高打印效率，并且打印精度也能够满足材料的质量要求。而且，由于生产设备简单、操作过程简便，在大大缩短了生产周期的同时，生产成本也降低了一个很大的台阶。因此，3D打印设备适合用来制造生物骨组织材料，它将会是未来生物材料来源的一个新渠道。

发明内容

本发明旨在克服上述技术现有的缺陷，提供一种成型强度近似天然骨骼，可临时塑性且可自固化，生物相容性好，生物降解性好，生物安全性好，无生物毒性的医用骨组织修复3D 打印材料及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种医用骨组织修复用3D打印材料，按照重量份数，其原料包括以下组分：

(1)粉末材料：

(2)粘结溶液：

其中，所述的粉末材料的主要成分磷酸四钙粉末和磷酸氢钙粉末，本发明中需要通过配比控制使得粉末材料中的Ga/P比率为3～5％；同时，粉末材料的粒径在1～10微米范围内，过细或过粗都不利于3D打印成型。

所述的无定形硅酸盐为硅酸钙、硅酸钠、硅酸镁、硅酸铝中的一种或两种以上的混合。通过磷酸钙盐粉末材料与一定配比的粘结溶液通过水化固化得到的骨水泥，机械强度较低，抗水溶性较差，溶解吸收过快，不能保持持久的形态。因此，需要向粉末材料中添加微量的硅酸盐，此时所得到的新型的钙-磷-硅复合体系，可以调节骨组织中无机质的生成(特别是钙磷的沉积作用)，从而影响骨的形成以及发育。

例如，当向体系中添加一定量的硅酸钙时，材料的抗压强度明显上升，这是因为无定形硅酸盐具有较大的溶解性，远大于羟基磷灰石，因而具有很强的反应活性，固化初期能提供钙离子和成核位点而促进钙磷盐晶体的形成，钙磷盐晶体沉积和长大使晶体逐渐变得紧密，相与相之间的作用力减小；另一方面，硅加入钙-磷体系后，释放的硅酸根离子能迅速在材料与骨的界面区形成硅凝胶，这种凝胶能填充到骨水泥隙中使得颗粒间连接更为紧密，从而提高固化体的抗压强度。

所述的氟化物为氟化钠、氟化钙、氟硅酸钠中的一种或两种以上的混合。氟是人体必需的微量元素，可以促进骨细胞的增殖分化，促使HAP晶体的形成与生长，从而利于硬组织的再矿化，而且有利于提高打印组织的抗压强度，缩短羟基磷灰石的凝结时间。

所述分散剂为气相二氧化硅、液相二氧化硅、沉淀二氧化硅中的一种或两种以上的混合。加入二氧化硅等密度大且粒径小的颗粒增加粉末密度，减小孔隙率，提高打印部件的致密性，从而提高其力学强度，同时防止打印过程中粘结剂过分渗透。

所述粘结溶液中加入了六偏磷酸钠，它具有良好的分散性及乳化性，具有悬浮污渍以及缓冲PH的能力，能够抗污垢絮凝、沉积以及腐蚀抑制能力，甚至可以与表面活性剂复配起到协同去污作用，能够有效防止打印喷头污垢堆积堵塞，达到清洗的目的。但是需要注意的是，当粉末材料中加入的是硅酸钙粉末材料时，就不可以在粘结溶液中加入六偏磷酸钠，因为两者会发生化学反应。若粉末材料中添加的是硅酸钠粉末材料时，则可以在粘结溶液中加入六偏磷酸钠。

所述的粘结溶液中加入了向所述粘结溶液中加入了卵磷脂，它能够有效减少打印过程中粉末材料溅散，提高打印的精度。

所述的表面活性剂为十二烷基硫酸钠(K12)、高级脂肪醇硫酸盐(AS)、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐(AES)中的一种或两种以上的混合。粘结溶液必须具有低的黏度和较高的表面张力才能满足按需下落喷射的要求，形成微小均匀的液滴，因此必须加入一定量的合适的表面活性剂来改变溶液的表面张力，一般要求在30～50mN/m之间，使其在喷射要求的范围内。

所述促凝剂为磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、磷酸钠、磷酸铵中的一种或两种以上的混合。它们有很好的促凝作用，可以较快使材料固化成型。

所述粘结剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇中的一种或两种混合。粘结剂必须具有高粘结强度、较低黏度、高溶解性等特点，可以起到加强实体部件粘结力，提高其机械性能的作用。

所述的润湿剂为甘油、丙二醇、山梨醇、泛醇、聚乙二醇中的一种或两种以上的混合。粘结溶液中加入润湿剂可以延迟粘结剂的干涸时间，同时避免因粘结剂干涸而堵塞喷嘴。除此之外，它还可以软化粘结剂，有助于清洗喷头，提高打印的精度。

一种制备上述3D打印材料的方法，包括以下步骤：

(1)利用干粉搅拌机将粉末材料的各类组分物料混合，然后通过研磨机研磨，即制得 3D打印用粉末材料；

(2)在搅拌的条件下将粘结溶液中的各类非水组分投入到去离子水中，搅拌直至体系完全清澈透明，最后静置即制得3D打印用粘结溶液。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过将粉末材料与粘结溶液按照一定的比例，在3D打印过程中可生成羟基磷灰石和磷碳酸钙的混合固态物质，从而可制得一种晶相结构与人体骨组织(包括牙齿)相近的修复材料。由于所含的羟基磷灰石和磷碳酸钙等具有良好的生物相容性、生物降解性以及无毒性等特点，因此用本发明打印出来的医用骨组织不仅具有较强的机械强度，抗压性能，同时具有良好的生物相容性，生物降解性以及骨传导、骨再生能力。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明。

以下份数均指重量份。

实施例1

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

生产工艺：(a)利用干粉搅拌机将粉末材料的各类组分物料混合，然后通过研磨机研磨直至粒度为1～10微米，即制得3D打印用粉末材料1#。(b)在搅拌的条件下将粘结溶液中的各类非水组分投入到去离子水中，搅拌直至体系完全清澈透明，最后静置即制得3D打印用粘结溶液1#。

实施例2

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

按照实施例1的生产工艺制得3D打印用粉末材料2#和粘结溶液2#。

实施例3

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

按照实施例1的生产工艺制得3D打印用粉末材料3#和粘结溶液3#。

实施例4

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

按照实施例1的生产工艺制得3D打印用粉末材料4#和粘结溶液4#。

实施例5

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

按照实施例1的生产工艺制得3D打印用粉末材料5#和粘结溶液5#。

实施例6

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

实施例7

一种医用骨组织修复用3D打印材料，其组成为：

(1)粉末材料组分：

(2)粘结溶液组分：

性能测试

将粉末材料1#～5#和粘结溶液1#～5#通过3D打印制备10mm×10mm×10mm的实体成品 1#～5#，再进行相关测试，结果如表1所示。

3D打印实验条件：Z 310型3D打印机(美国Z Corporation公司)、压电间歇式打印喷头共128个孔(直径约为0.05mm)、层厚设为0.175mm、饱和度设为0.7。

表1 3D打印实体成品的测试结果

测试指标	1#	2#	3#	4#	5#
						弯曲强度(MPa)	1.8	1.9	1.5	1.7	1.6
抗压强度(MPa)	7.0	7.1	7.0	6.9	6.9

由表1可知，用本发明配方3D打印出来的实体部件具有较高的弯曲强度以及抗压强度，韧性好，力学性能强，而且与人体骨组织力学性能相当，更为重要的一点是材料的主要成分羟基磷灰石是人体骨组织细胞中的重要组成部分，这使得材料在满足人体组织材料力学性能的同时，可以避免受到体内免疫体统的排斥，植入人体骨组织，形似天然骨骼，不仅生物相容性好，利于骨细胞顺利扩散生长，而且生物降解性也很好，在体内的降解产物无毒无污染，并不会因为降解产物问题留下后遗症，给人体带来伤害。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种医用骨组织修复用3D打印材料，按照重量份数，其原料包括以下组分：

(1)粉末材料：

磷酸四钙55～75份；

磷酸氢钙65～95份；

无定形硅酸盐5～20份；

氟化物5～10份；

分散剂5～25份；

所述分散剂为气相二氧化硅、液相二氧化硅、沉淀二氧化硅中的至少一种；

(2)粘结溶液：

去离子水90～100份；

六偏磷酸钠5～8份；

卵磷脂4～6份；

表面活性剂10～20份；

促凝剂5～10份；

粘结剂5～25份；

润湿剂10～15份。

2.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述无定形硅酸盐为硅酸钙、硅酸钠、硅酸镁、硅酸铝中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述氟化物为氟化钠、氟化钙、氟硅酸钠中的至少一种。

4.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述表面活性剂为十二烷基硫酸钠、高级脂肪醇硫酸盐、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸盐中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述促凝剂为磷酸氢二钠、磷酸氢二铵、磷酸钠、磷酸铵中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述粘结剂为羧甲基纤维素、羟乙基纤维素、甲基纤维素、聚乙烯醇中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的3D打印材料，其特征在于，所述润湿剂为甘油、丙二醇、山梨醇、泛醇、聚乙二醇中的至少一种。

8.一种制备权利要求1～7任意一项所述的3D打印材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用干粉搅拌机将粉末材料的各类组分物料混合，然后通过研磨机研磨，即制得3D打印用粉末材料；

(2)在搅拌的条件下将粘结溶液中的各类非水组分投入到去离子水中，搅拌直至体系完全清澈透明，最后静置即制得3D打印用粘结溶液。